【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电机，尤其涉及一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机。
技术介绍
1、相较于传统连续旋转的伺服电机，永磁力矩电机可在低速甚至是堵转状态下输出大力矩，其具有结构简单、力矩密度高、控制策略简单等特点，被广泛应用于液压阀门、起重设备、机器人关节等重载执行机构领域中。
2、传统的环形绕组永磁力矩电机的绕组利用率偏低，针对环形绕组只有一侧产生力矩的缺陷，现有技术方案采用的双转子结构依旧存在绕组端部不产生力矩的问题，进一步提出了可充分利用环形绕组四侧导体的四转子结构。然而，现有的多转子结构通过单根转轴组合一体，转子间不可独立运行，只能输出单向力矩。
3、在现有机器人手臂研究领域中，为满足人手无法完成的复杂运动需求，常将多台电机作为关节结构组合到一条力臂中。关节数量的增多虽然能提高机器人手臂的灵活度，但也使得多关节系统存在结构复杂、体积较大、力矩分散等缺陷。
4、针对传统永磁力矩电机只能输出单向力矩的低灵活度和多台电机组合的低力矩密度问题，如何使单台永磁力矩电机兼具高灵活度和大力矩密度，可在输出双向力矩、输出单向大力矩两种工作模式中灵活切换是亟待解决的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，可在输出双向力矩、输出单向大力矩两种工作模式中灵活切换，以解决现有技术中永磁力矩电机只能输出单向力矩的低灵活度和多台电机组合的低力矩密度问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：>
3、一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，包括单动/联动切换组件、定子组件和转子组件，定子组件和转子组件均设置在单动/联动切换组件的外侧，单动/联动切换组件包括圆筒形双转轴和联动插销，联动插销设置在圆筒形双转轴上，定子组件包括拼装式定子铁芯和环形绕组，环形绕组设置在拼装式定子铁芯上，转子组件包括轴径向混合双转子、轴向盘式永磁体和径向瓦片状永磁体，轴向盘式永磁体和径向瓦片状永磁体均设置在轴径向混合双转子上。
4、在单动模式下，双转轴分别与轴径向混合双转子通过轴承连接，双转轴可独立旋转产生同向或反向力矩；内转轴旋转至联动位即可通过联动插销与外转轴连为一体，完成机械耦合；转子组件的永磁体排列随着内转轴旋转发生变更，从而完成电磁耦合；完成机械耦合和电磁耦合后，电机即可由单动模式切换至联动模式。内转轴再旋转至单动位并弹出联动插销即可完成解耦，电机由联动模式切换回单动模式。本专利技术可在单动模式和联动模式之间灵活切换，单动模式下，电机可等效为分别在两侧独立输出力矩的两台电机；联动模式下，连为一体的双转轴可联合输出同向大力矩；电机兼具一机两用可切换旋转方向和力矩可调的特点。
5、进一步地，圆筒形双转轴包括空心圆筒形外转轴和实心圆筒形内转轴，外转轴套设在内转轴上，转轴间的间隙由轴承支撑；外转轴和内转轴均有径向贯穿的插销孔。
6、进一步地，内转轴在轴向右侧开有矩形槽，槽口朝向与内转轴插销孔朝向一致，外转轴在轴向左侧开有矩形槽，槽口朝向与外转轴插销孔朝向一致。
7、进一步地，联动插销为长条状金属结构，在联动模式下，将两转轴的矩形槽口朝向对准的同时，两转轴的插销孔也会同时对准，此时插入联动插销使两转轴连为一体，进而联合输出大力矩；单动模式下，弹出联动插销，因两转轴间有轴承支撑，彼此可独立旋转，互不干涉，实现双向力矩输出。
8、进一步地，拼装式定子铁芯包括不等厚度梯形状铁芯和长方体状铁芯。梯形状铁芯和长方体状铁芯组合形成4面开槽式定子铁芯，从而保证环绕式绕组的四面导体均受电磁力作用产生力矩。
9、进一步地，绕线时，可先将导线环绕在长方体状铁芯上，再将长方体状铁芯粘接在梯形状铁芯上，进而降低绕线难度，采用的环绕式绕组均匀分为四极，每极的跨度为90°，相邻两极间的绕组通入的电流极性相反，不相邻两极间的绕组通入的电流极性则相同。
10、进一步地，还包括轴向右侧圆盘状转子铁芯，轴向右侧圆盘状转子铁芯套设在内转轴上，轴向右侧圆盘状转子铁芯的左侧表贴有圆盘状永磁体，并与径向表贴在内转轴上的瓦片状永磁体组合形成轴径向混合转子一，轴径向混合转子一通过内转轴输出力矩。
11、进一步地，还有瓦片状永磁体径向表贴在空心杯转子铁芯内侧、圆盘状永磁体表贴在轴向左侧圆盘状转子铁芯的右侧，空心杯转子铁芯与轴向左侧圆盘状转子铁芯连为一体，组合形成轴径向混合转子二，轴径向混合转子二套设在外转轴上，并通过外转轴输出力矩。
12、进一步地，轴径向混合双转子上的表贴永磁体可等效为四个区域的永磁体阵列，轴向左侧、轴向右侧、径向内侧和径向外侧，每个区域的永磁体阵列都均匀分为四极，同一区域相邻两极间的永磁体充磁方向相反，不相邻两极间的的永磁体充磁方向相同。
13、进一步地，根据永磁体阵列磁极中轴线所在角度，将四个磁极的位置定义为45°极、90°极、135°极、270°极。在联动模式下，轴向左、右侧间的永磁体充磁方向关系为：磁极位置角度差为n1×90°的磁极充磁方向相反，磁极位置角度差为n2×45°的磁极充磁方向相反，其中，n1为偶数，n2为奇数；径向内、外侧间的永磁体充磁方向关系同理。在单动模式下，因轴径向混合双转子彼此可独立旋转，互不干涉，充磁方向随双转子转角差变化而变化。
14、本专利技术由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
15、(1)本专利技术采用双转轴结构，双转轴既可彼此单独动作，输出双向力矩，也可通过联动插销连为一体，联合输出叠加大力矩；
16、(2)双转轴上的矩形槽既可用作与负载的槽键连接，也可辅助双转轴上的插销孔进行对准。联动插销可灵活插入和弹出转轴插销孔，以实现单动/联动模式切换；联动插销插入转轴插销孔时，四个区域的永磁体阵列间充磁方向角度差会被锁定，从而保证双转轴输出力矩始终为同一方向；联动插销弹出转轴插销孔时，四个区域的永磁体阵列间充磁方向角度差会随双转轴转角差变化而变化，从而实现双转轴输出双向力矩。因此，本专利技术仅需机械连接即可完成在单动/联动模式间的切换，切换方式灵活简单、高效可靠。
17、(3)本专利技术采用拼装式定子铁芯结构，拼装式定子铁芯包括不等厚度梯形状铁芯和长方体状铁芯。绕线时，可先将导线环绕在长方体状铁芯上形成环形绕组，再将两种铁芯粘接一体形成拼装式定子铁芯。相较于传统一体式铁芯，先绕线后拼装的定子结构绕线更简单；通过两种简单形状的定子铁芯拼装成一个复杂整体，使得加工成本更低；更简易的绕线方式也是保证导线能紧密缠绕在定子铁芯上，不会与转子发生剐蹭的关键要点。
18、(4)本专利技术所提供的电机无需复杂冗余的中间传动机构，可直接输出大力矩，结构简单、紧凑；电机输出的力矩幅值与绕组电流幅值近似成正比关系，输出力矩方向与永磁体阵列磁化方向和电流极性相关，转动角度与绕组电压相关。因此，只需在电源侧控制输出，通过机械连接锁定/解锁永磁体阵列间磁化方向差，无需复杂控制策略即可实现对电机的有效控制。
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1.一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：包括单动/联动切换组件、定子组件和转子组件，定子组件和转子组件均设置在单动/联动切换组件的外侧，单动/联动切换组件包括圆筒形双转轴和联动插销，联动插销设置在圆筒形双转轴上，定子组件包括拼装式定子铁芯和环形绕组，环形绕组设置在拼装式定子铁芯上，转子组件包括轴径向混合双转子、轴向盘式永磁体和径向瓦片状永磁体，轴向盘式永磁体和径向瓦片状永磁体均设置在轴径向混合双转子上。
2.根据权利要求1所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：圆筒形双转轴包括空心圆筒形外转轴和实心圆筒形内转轴，外转轴套设在内转轴上，转轴间的间隙由轴承支撑；外转轴和内转轴均有径向贯穿的插销孔。
3.根据权利要求2所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：内转轴在轴向右侧开有矩形槽，槽口朝向与内转轴插销孔朝向一致，外转轴在轴向左侧开有矩形槽，槽口朝向与外转轴插销孔朝向一致。
4.根据权利要求2所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：联动插销为长条状金属结构，在联动模式下，将两转轴的矩形槽
5.根据权利要求1所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：拼装式定子铁芯包括不等厚度梯形状铁芯和长方体状铁芯。梯形状铁芯和长方体状铁芯组合形成4面开槽式定子铁芯，从而保证环绕式绕组的四面导体均受电磁力作用产生力矩。
6.根据权利要求5所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：绕线时，可先将导线环绕在长方体状铁芯上，再将长方体状铁芯粘接在梯形状铁芯上，进而降低绕线难度，采用的环绕式绕组均匀分为四极，每极的跨度为90°，相邻两极间的绕组通入的电流极性相反，不相邻两极间的绕组通入的电流极性则相同。
7.根据权利要求1所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：还包括轴向右侧圆盘状转子铁芯，轴向右侧圆盘状转子铁芯套设在内转轴上，轴向右侧圆盘状转子铁芯的左侧表贴有圆盘状永磁体，并与径向表贴在内转轴上的瓦片状永磁体组合形成轴径向混合转子一，轴径向混合转子一通过内转轴输出力矩。
8.根据权利要求7所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：还有瓦片状永磁体径向表贴在空心杯转子铁芯内侧、圆盘状永磁体表贴在轴向左侧圆盘状转子铁芯的右侧，空心杯转子铁芯与轴向左侧圆盘状转子铁芯连为一体，组合形成轴径向混合转子二，轴径向混合转子二套设在外转轴上，并通过外转轴输出力矩。
9.根据权利要求1所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：轴径向混合双转子上的表贴永磁体可等效为四个区域的永磁体阵列，轴向左侧、轴向右侧、径向内侧和径向外侧，每个区域的永磁体阵列都均匀分为四极，同一区域相邻两极间的永磁体充磁方向相反，不相邻两极间的的永磁体充磁方向相同。
10.根据权利要求9所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：根据永磁体阵列磁极中轴线所在角度，将四个磁极的位置定义为45°极、90°极、135°极、270°极。在联动模式下，轴向左、右侧间的永磁体充磁方向关系为：磁极位置角度差为N1×90°的磁极充磁方向相反，磁极位置角度差为N2×45°的磁极充磁方向相反，其中，N1为偶数，N2为奇数；径向内、外侧间的永磁体充磁方向关系同理。在单动模式下，因轴径向混合双转子彼此可独立旋转，互不干涉，充磁方向随双转子转角差变化而变化。
...【技术特征摘要】
1.一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：包括单动/联动切换组件、定子组件和转子组件，定子组件和转子组件均设置在单动/联动切换组件的外侧，单动/联动切换组件包括圆筒形双转轴和联动插销，联动插销设置在圆筒形双转轴上，定子组件包括拼装式定子铁芯和环形绕组，环形绕组设置在拼装式定子铁芯上，转子组件包括轴径向混合双转子、轴向盘式永磁体和径向瓦片状永磁体，轴向盘式永磁体和径向瓦片状永磁体均设置在轴径向混合双转子上。
2.根据权利要求1所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：圆筒形双转轴包括空心圆筒形外转轴和实心圆筒形内转轴，外转轴套设在内转轴上，转轴间的间隙由轴承支撑；外转轴和内转轴均有径向贯穿的插销孔。
3.根据权利要求2所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：内转轴在轴向右侧开有矩形槽，槽口朝向与内转轴插销孔朝向一致，外转轴在轴向左侧开有矩形槽，槽口朝向与外转轴插销孔朝向一致。
4.根据权利要求2所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：联动插销为长条状金属结构，在联动模式下，将两转轴的矩形槽口朝向对准的同时，两转轴的插销孔也会同时对准，此时插入联动插销使两转轴连为一体，进而联合输出大力矩；单动模式下，弹出联动插销，因两转轴间有轴承支撑，彼此可独立旋转，互不干涉，实现双向力矩输出。
5.根据权利要求1所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：拼装式定子铁芯包括不等厚度梯形状铁芯和长方体状铁芯。梯形状铁芯和长方体状铁芯组合形成4面开槽式定子铁芯，从而保证环绕式绕组的四面导体均受电磁力作用产生力矩。
6.根据权利要求5所述的一种工作模式可切换多转子永磁力矩电机，其特征在于：绕线时，可先将导线环绕在长方体状铁芯上，再将长方体状铁芯粘...
【专利技术属性】
技术研发人员：李想，朱志豪，林英帜，武新章，王素燕，武宗才，林博，杨胜清，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：
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